Учёные предложили способ получения ракетного топлива на Марсе из углекислого газа, которым богата атмосфера планеты. Метод основан на электрохимическом восстановлении и позволяет производить метан, пригодный для использования в качестве жидкого горючего. Об этом сообщается в исследовании, опубликованном в журнале ACS Catalysis, о чём пишет Space.com.
В основе технологии лежит электролиз — пропускание электрического тока через вещество для запуска химической реакции. В электролизёре электроны движутся от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду. Вода на аноде окисляется, теряя электрон, который затем передаётся молекуле углекислого газа на катоде. Один из атомов углерода присоединяет электрон и переходит в так называемое восстановленное состояние, после чего может вступать в реакцию с водородом и кислородом, образовавшимися при расщеплении окисленной воды.
На аноде находится катализатор, и именно его материал определяет, какие углеродсодержащие соединения образуются в итоге. К примеру, золото приводит к получению угарного газа, а медь позволяет синтезировать более сложные вещества — спирты, этанол и метан. Раньше при электрохимическом восстановлении углекислого газа на Земле метан получали, но вместе с большим количеством побочных продуктов. Для разделения смеси требуется громоздкое оборудование, которое невозможно взять с собой на Марс, где важен каждый килограмм груза. А для применения в качестве жидкого ракетного топлива метан должен быть чистым.
Команда под руководством химика-инженера Ахмеда Бадреддина из Университета Миссисипи разработала медный катализатор нанометрового масштаба с добавлением азота, который позволяет получать почти чистый метан без дополнительной очистки. «Работа, которую мы делаем, по сути, заключается в том, чтобы брать CO2 и с помощью электричества превращать его в углеродсодержащее топливо и химические вещества», — приводит слова Картера Расина, аспиранта Техасского университета A&M и участника исследования, пресс-служба Университета Миссисипи. По словам Бадреддина, невозможно доставить на Марс всё необходимое с Земли, поскольку каждый дополнительный килограмм резко повышает стоимость запуска и сложность преодоления земного притяжения, поэтому встаёт вопрос о производстве топлива и химикатов из ресурсов, доступных на месте. Атмосфера Марса хоть и разрежена, но на 96% состоит из углекислого газа.
Технология может пригодиться и на Земле: метан можно создавать из уже присутствующего в атмосфере углекислого газа, а не добывать природный газ бурением. «Мы хотим делать это потому, что сейчас многие из этих углеродсодержащих продуктов в конечном итоге происходят из первичных ископаемых ресурсов, — сказал Расин. — Если мы сможем производить их с использованием уловленного CO2 и возобновляемой электроэнергии, это может снизить зависимость от первичного ископаемого углерода и помочь замкнуть углеродный цикл».
Электрохимическое восстановление рассматривают и как способ связывания углерода — извлечения углекислого газа из атмосферы, где он действует как нежелательный парниковый газ. Однако при превращении CO2 в метан и последующем сжигании углерод возвращается в атмосферу, образуя замкнутый цикл с нулевым балансом. Идеальным вариантом было бы надолго удерживать углекислый газ вдали от атмосферы, но, по мнению Бадреддина, технология к этому пока не готова. «В конечном счёте нам интересно понять, сможем ли мы выйти за рамки простой переработки CO2 и перейти к схемам с отрицательным балансом, — отметил он. — Это означает использование CO2 в качестве источника углерода с превращением его в продукты, где углерод хранится или используется достаточно долго и не возвращается в атмосферу сразу». При этом самым действенным способом смягчения изменения климата остаётся отказ от сжигания всех ископаемых видов топлива, включая метан, но применение метана, полученного электрохимическим путём, вместо добытого бурением может помочь в переходный период.